日前，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室郭光灿院士领导的量子光学小组实现了高精度的量子相位测量，冲破了“标准量子极限”（Standard quantum limit），并十分接近于量子力学的理论极限——海森堡极限（Heisenberg limit）。这种新颖的相位测量方案原则上突破了因测量引发光子数损耗的局限，可望在其他物理量的高精度测量中得到重要应用。该项成果发表在最新一期的《欧洲物理快讯》上[Europhysics Letters, 82 (2008) 24001.]。审稿人认为：“该测量方案以及理论分析都是原创性的工作。” 利用高精度的测量方法，物理学家可以发现新的物理现象、发展新的物理理论。然而物理量的测量精度受量子力学基本原理——海森堡不确定性原理的限制。在与时间、距离等基础物理量有关的相位的测量中，其测量精度与所用粒子数N的不确定度成反比，最高精度可以达到平均粒子数的倒数(1/N)，即海森堡极限。业已证明，海森堡极限是量子力学所允许的最高极限。而受噪声所限的标准量子极限（即噪声极限）一般是平均粒子数平方根的倒数（1/ ）。已经有很多实验演示了测量精度超过标准量子极限，如基于压缩态和多光子干涉方法。但是，由于固有损耗的存在，其测量精度无法逼近海森堡极限，甚至随光子数的增加而变得更差。 如何提高物理量的测量精度已经成为物理学家理解物理学机制的关键。郭光灿院士指导的两位博士生孙方稳和柳必恒利用双模光子数态和自己独创的多光子投影测量方法，克服了因为投影测量而引起的光子数损耗难题，使得相位测量精度原则上可以逼近海森堡极限。基于多光子态的相干效应，光子数最大纠缠态在理论上可以达到海森堡极限。然而这个光子数最大纠缠态本身很难制备，更为严重的是，该投影测量原则上就会引起光子损耗，导致实际的测量精度远小于海森堡极限。他们设计的测量相位的有效方案，避免了光子损耗，当光子数很大时，其测量精度可以达到1.4/N，并在实验上利用参量下转换产生的双光子和四光子演示了少数光子的高精度相位测量。实验得到的相位精度分别为0.506和0.291，超过了相应的标准量子极限0.707和0.5。 该项成果发表后，美国物理学科网站PhysOrg.com对第一作者孙方稳博士进行了采访，并在第一时间以“测量精度冲破了标准量子极限”为题做了专文报道，短时间内数十家国内外网站迅速转载。 （新闻中心） |